摘要:隨著星間通信系統的迅速發展,數據傳輸的精度要求不斷提高。分光鏡作為系統的核心元件,其光譜特性和面形精度直接影響整個系統的傳輸精度。本文基于薄膜干涉理論,選取 Ta205,與 Sio2,作為高低折射率膜層材料進行膜系設計,采用電子東蒸發的方式在石英基板上制備高精度分光鏡。同時根據膜層應力補償原理建立面形修正模型,修正分光鏡面形。光譜分析儀檢測結果顯示,分光鏡在入射角度為 21.5°~23.5°內,1563 nm 透過率大于 98%,1540 nm 反射率大于 99%。激光干涉儀檢測結果顯示,分光鏡反射面形精度 RMS由 210修正至 290(2=632.8nm),透過面形精度RMS 為 1/90lamda。

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1 引 言

低軌道衛星具有傳輸延遲小、通信容量大和覆蓋面積廣等特點,因此受到各國的廣泛關注。目前,美、歐、日、俄及中國等多個國家都在積極發展星間通信技術B5,以占領有限的近地衛星軌道,滿足通信需求。隨著該技術的飛速發展,數據傳輸精度要求不斷提高,因此對核心元件的光譜性能和面形精度提出了更高的要求。

本文針對星間通信系統中的核心元件-分光鏡進行研制,其作用是對 1540 nm 和 1563 nm 兩個波長的信號光進行分束。目前對于該光學元件的光譜性能的研究已經較為成熟,難點在于解決光學元件因薄膜應力產生面形偏差這一問題。近年來,李波通過調整工藝參數控制薄膜應力的方法來調控面形,李陽使用有限元分析法得出應力較小的膜系結構,從而調控面形,白金林通過建模預測薄膜應力對基底造成的形變量,然后對基底預加工與形變方向相反面形的方法來調控面形。但薄膜應力成因復雜,模型多樣繁瑣叫,計算量龐大,上述方法制備光學元件所能達到的面形精度有限。

本文通過沉積與基底相同的材料,利用其應力來修正面形。通過擬合實驗數據,建立面形修正模型以計算所需沉積的膜層厚度。相關資料顯示,關于星間通信系統中高精度分光鏡的研究鮮有報道,本文重點研究分光鏡的光譜和面形修正方法,解決高精度通信傳輸的難題。

2 膜系結構設計與面形修正方案

2.1 膜系結構設計

針對分光鏡指標要求,綜合考慮材料的光學性能和機械性能,選擇 TaO,與 SiO,作為薄膜材料,基底為石英基底,尺寸為 Φ26 mmx5 mm。1563 nm與 1540 nm 兩波長相差僅 23 nm.其中 1540 nm 為高反射波長,1563 nm 為高透射波長。通過比較干涉截止濾光膜和窄帶濾光膜兩種方案,結合真空鍍膜設備的控制精度,選擇沉積多腔窄帶濾光膜實現1563 nm與 1540 nm 兩束信號光的分束。模擬分析了 TazOs、Si0,分別作為間隔層,對膜系光譜陡度、半寬度以及矩形度的影響。最終選擇 Ta0,作為間隔層,這樣可以增加透射區的光譜寬度,減少制備難度。設計的膜系結構為:Sub/(HL)^2 2H(LH)^2L(HL)^34H(LH)^3L(HL)^36H(LH)3L(HL)36H(LH)^3L(HL)^3 4H(LH)^3 L(HL)^2 2H LH0.70H0.79L/Air。中心波長入為1600 nm,H層代表 TaOs, 厚度為 λ4,L 層代表 SiO,,厚度為 A/4,Sub 為石英基底,Air 為空氣,人射角度為 22.5°設計的分光膜總厚度為 22.14 um,圖1為分光膜理論光譜透過率曲線。

為提高 1563 nm處的透過率,在分光鏡后表面沉積了 1563 nm的增透膜,膜系為 Sub/0.32H0.35L1.87H0.96L/Air,增透膜總厚度為750 nm,中心波長為 1600 nm,圖2為分光鏡雙面理論光譜透過率曲線,可見,在入射角度為 21.5°~23.5°時均滿足要求。

圖 1    分光膜理論光譜透過率曲線

圖 2    分光鏡雙面理論光譜透過率曲線

2.2    面形修正方案

由以上設計可知,分光鏡的兩表面設計膜厚差超過 20 um,較大的薄膜應力會導致分光鏡的反射波前出現面形偏差,影響光的傳輸精度,因此需要對分光鏡進行面形修正。

2.2.1 應力補償模型的建立

薄膜沉積過程中會產生薄膜應力中3,若按照薄膜應力對基底造成的形變方向來區分,薄膜應力分為壓應力和張應力。當薄膜應力為張應力時,將使基底變凹,如圖 3(a)所示; 當薄膜應力為壓應力時,將使基底凸起,如圖 3(b)所示。

圖 3    薄膜應力圖。（a）張應力；（b）壓應力

在分光鏡表面沉積分光膜后，應力導致反射波前產生面形偏差,圖4(彩圖見期刊電子版)為未鍍膜的基底反射波前示意圖,紅色虛線為理想狀態的參考波前。PV為波前最高點與最低點的間距,波前 RMS 可以表示為:

其中,n為采樣點數,,為每個采樣點的波前,Wawg為參考波前,即所有采樣點的波前平均值。圖5(彩圖見期刊電子版)為沉積分光膜和增透膜后發生形變的基底波前矢高與曲率半徑示意圖,綠色虛線為波前擬合球面。

圖 4    基底的反射波前示意圖

圖 5    基底的矢高值與曲率半徑示意圖

圖5中，Power為波前擬合球面的矢高值，D、為直徑,R為曲率半徑。計算薄膜應力時,通常將所測得的基底鍍膜前后的曲率變化代入 Stoney 公式"4,從而求出膜層的應力值。由圖5可得以下幾何關系式

通常平板分光鏡的 Power 遠遠小于直徑D、可以舍棄高階 Power2 項，則 Stoney 公式變為：

式中,σ為薄膜應力,E為基底楊氏模量,r為基底泊松比，與女分別為基底的厚度與膜層的厚度，4power為基底沉積膜層前后Power 的差值。

本文使用 G150-OCL 激光干涉儀進行面形檢測。檢測樣品基底的反射面形精度RMS為2/90~A/100,Power為-0.005λ~-0.009λ,通過公式(3)可求得分光膜的膜層應力為-60.50 MPa,呈現壓應力?？紤]到基底為石英,其主要成分為SiO,,故在基底表面沉積單層 SiO,不會影響光譜,而且檢測電子東沉積的 SiO,薄膜知,膜層為壓應力,因此選擇 Si0,對分光鏡進行面形修正。

Power 表示彎曲程度以及方向,當基底向上凸時,Power 為負值,當基底向下凹時,Power 為正值,參考 Power 進行面形修正。通過沉積 SiO,修正的 Power 可表示為:

式中,Power 的取值始終以分光膜面為準,P為所需修正的 Power,Pe為基底沉積分光膜后的Power(膜層呈張應力時符號為正，呈壓應力時符號為負),P為沉積增透膜對 Power 的改變量。由此可建立面形修正模型:

式中: H,為應補償的 SiO,厚度,A為 SiO,對基底Power 的修正系數,單位為/100 nm,由于不同工藝沉積的薄膜應力不同,分光鏡兩面膜系的工藝參數有一定差異,本模型不考慮分光膜以及增透膜的沉積工藝參數,僅考慮用于修正面形的Si0,的工藝參數。

由式(3)可以得出:

通過式(6)可以得出在相同材質不同徑厚比的基底上沉積相同膜層時,基底 Power 的改變量和基底徑厚比的平方呈正比關系。公式(5)計算的是徑厚比為 5.2 的基底需要修正的 SiO,厚度,當計算其他徑厚比的石英基底所需修正的 SiO,厚度時,可通過式(7)進行計算:

其中,P,為所需修正基底沉積分光膜后的 Power,Pa為沉積增透膜后所需修正基底 Power 的改變量，B為所需修正基底的徑厚比。對于其他徑厚比 SiO,厚度的修正,該公式也具有一定的指導價值。

2.2.2 A值與P 取值實驗流程

公式(5)的修正誤差來源于A值與 P值的取值準確度,具體取值的實驗流程為:在4片具有相同面形精度的基底上沉積分光膜,將樣片編號為 1#、2#、3#、/4#,分別進行面形檢測。②在1#樣片分光膜的另一面沉積增透膜,進行面形檢測,計算出增透膜對 Power 的改変量,即 P。③在2#樣片分光膜的另一面依次沉積一定厚度的Si0,,每次沉積后都進行面形檢測并求解A值,對實驗數據進行多項式擬合，擬合出 Power 改變量與沉積的 SiO,厚度的關系式。④測得 3#樣片沉積分光膜后的 Power, 即 P,,結合第①步中得到的 P,,求出所需修正的 Power,即 P,將P代入第③步的關系式,求出對應的 SiO,厚度,進而計算出A值,將 P、P與A值代入式(5)對 3#樣片進行修正實驗,并根據實驗結果校正誤差。⑤用經誤差校正后的式(5)修正4#樣片,完成分光鏡的制備。

3  薄膜制備與面形修正實驗

3.1分光膜的制備

實驗使用光馳 OTFC-1300 蒸發鍍膜機制備分光膜。該設備配有 JOL 電子槍、RF 離子源。膜厚控制包括晶控和光控,其中光控配置了背反和直控兩種模式。分光膜采用直控和晶控相結合的方式,增透膜采用背反監控,補償 SiO,采用晶控控制。TazOs和 Si0,的沉積工藝參數如表 1所示。

采用不同的離子源電壓與東流參數在3片基底上沉積 4000 nm 的 SiO,薄膜,其他工藝保持一致,樣片的 Power 改變量數據如表2 所示。

由表 2可知,第1組參數下基底的 Power 改變量最小,第3組參數下基底的 Power 改變量最大。為盡可能采用較薄的 Si0,來修正分光鏡面形,前表面分光膜選擇第1組離子源參數沉積,后表面增透膜以及補償 Si0,選擇第 3組離子源參數沉積。最終確定的 TaO 和 Si0,的離子源參數如表 3 所示。

對沉積分光膜的樣品使用光譜分析儀(OSA)進行光譜檢測,測試角度為 22.5°,結果如圖6所示,可見光譜出現了偏差。

直控監控規整膜層厚度不易產生厚度誤差但后兩層在進行優化后為非規整膜層,故使用品控控制膜厚。使用膜系設計軟件對分光膜進行模擬分析,結果顯示最后兩層品控控制的膜層厚度產生了偏差,導致了透過區光譜差異。直接光控的監控波長偏長導致了光譜向長波方向漂移，通過調整后兩層膜層厚度以及中心波長使光譜實測曲線與擬合曲線重合!。其中,Ta0,的厚度誤差為 10%, Si0,的厚度誤差為 7%, TaOsTooling 值由 1.05 修正為 1.16, SiO,Tooling 值由 0.95 修正為0.88。通過修正膜層厚度,并將直控監控波長降低為 2nm 后,光譜曲線滿足使用要求。

圖 6    分光膜的透過率測試曲線與擬合曲線

3.2 面形修正實驗

在4片面形精度水平相同的樣品上按照修正后的監控厚度以及監控波長分別沉積分光膜，進行面形與光譜檢測,面形檢測結果如表4 所示。

表4 樣品沉積分光膜的面形結果

四片樣片的能量譜密度如圖7所示,經換算后的透過率曲線如圖8所示。在 1#樣片后表面沉積增透膜,計算出 Power的改變量 P 為 0.025 4λ。在 2#樣片后表面依次沉積一定厚度的 SiO,,實驗數據如表5 所示。

圖 7    4 片樣品能量譜密度圖

圖 8    4 片樣品的透過率曲線

表 5    樣品 Power 改變量與 A 值隨沉積 SiO2 膜層厚度變化的數據

對實驗數據進行多項式擬合,如式(8)所示AP=1.48x10'H+3.62x10'H、+0.01,式中, AP 為基底 Power 改變量。公式(5)中A值即為: AP/H,與式(8)對應的樣品 Power 改變量隨沉積的 SiO,厚度變化曲線如圖9所示。

圖 9    樣品 Power 改變量隨沉積 SiO2 厚度變化的擬合曲線

3#樣片沉積分光膜后 Power 即 Pe=-0.382 7λ,所需修正的 Power 即 P=P,+P =-0.357 3λ,將其代入式(8)中得出所需沉積的 SiO,厚度為 7327 nm。根據擬合結果,計算出A值為 0.004 8,對 3#樣品進行修正,結果如表6所示。修正后的樣品Power 為-0.042 9λ,修正誤差為 12%。經分析,該誤差來源一是干涉儀本身具有一定的測量誤差,二是修正模型的數據應通過依次沉積一定厚度的 SiO,并檢測樣品 Power 改變量獲得,因此通過該模型直接沉積一定厚度的 SiO,使得樣品 Power改變量也存在誤差。

表 6    修正前后樣品的面形參數

校正誤差后的A值為 0.0042,該修正系數同樣適用于與本文分光鏡具有相同沉積材料的類似薄膜。根據 4#樣片的面形檢測結果得出所需沉積的 SiO,厚度為 8571 nm,按此厚度進行面形修正,完成分光鏡制備。使用 OSA 對分光鏡光譜進行檢測,能量譜密度如圖 10 所示。經能量譜密度換算后的分光鏡透過率曲線如圖 11 所示。

圖 10    分光鏡能量譜密度圖

由圖 11 可知,在測試角度為 22.5°時,1 563 nm透過率為 98.24%,1 540 nm 透過率為 0.028%,考慮到鏡片裝夾時的角度誤差,在 21.5°到 23.5°范圍內 1 563 nm 透過率大于 98%,反射率大于 99%,使用激光干涉儀對修正前后的面形進行檢測，檢測結果如表7所示?？梢钥闯?對于分光鏡的透過面形而言，由電子束蒸發方式沉積的膜層足夠均勻，通常不會對基底的透射波前產生影響；對所使用的所有基底進行透過面形檢測，透過面形度 RMS 均符合使用要求，因此本文在修正分光鏡面形時，僅考慮反射面形。

表 7    修正前后的面形參數與面形圖

圖 11    分光鏡的透過率曲線

4    結　論

本文針對星間通信系統中分光鏡的使用需求，制備了高精度分光鏡，通過光譜反演分析了產生光譜誤差的原因，解決了光譜偏差問題。同時，通過建立參考 Power 的面形修正模型對膜層厚度高達 22 μm 的分光鏡面形進行修正。光譜與面形測試結果顯示，該分光鏡在 21.5°～23.5°入射角度范圍內，1 563 nm 透過率大于 98%，1 540 nm 反射率大于 99%，反射面形精度 RMS 與透射面形精度 RMS 均優于 λ/90。以上結果對高精度分光鏡的研究具有重要的參考意義。如何通過建立更精準的模型修正其他基底與沉積材料制備的光學元件，以獲得更高的面形精度，仍是后續需要深入研究與探索的。